JP2009530140A - Manufacturing method of shaped part and shaped part obtained by said method - Google Patents

Manufacturing method of shaped part and shaped part obtained by said method Download PDF

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ウィリアム, アンドリアヌス, コーネリス ルーベルス,
ヴァン, マルティン, アントニウス エス
ロエロフ マリセン,
ヘン ホエフナゲルス,
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Abstract

本発明は、
− 一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む(2)枚以上のシートを積み重ねてスタックを形成するステップと、次に、スタックを金型に入れるステップと、金型内のスタックを制御部材で固定するステップと、金型を閉じるステップと、
− 温度および圧力のもとでスタックを固化して曲面造形部品にするステップと
を含む、造形部品の製造方法に関する。本発明はさらに、前記方法で得られる製品に関し、その製品は耐衝撃用途に用いるのに非常に適しており、それには、例えばヘルメット、曲面パネル、円錐形標識およびドームがある。
【選択図】 なし
The present invention
-Stacking two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and binder to form a stack; then placing the stack in a mold; and stacking the mold in the mold Fixing with the control member, closing the mold,
-Solidifying the stack under temperature and pressure to form a curved shaped part. The invention further relates to the product obtained by said method, which product is very suitable for use in impact resistant applications, such as helmets, curved panels, conical signs and domes.
[Selection figure] None

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は、造形部品の製造方法および前記方法で得られる造形部品に関する。前記方法で得られる造形部品は耐衝撃用途に用いるのに非常に適しており、それには、例えばヘルメット、曲面パネル、円錐形標識およびドームがある。   The present invention relates to a method for manufacturing a shaped part and a shaped part obtained by the method. The shaped parts obtained by the method are very suitable for use in impact resistant applications, such as helmets, curved panels, conical signs and domes.

造形部品の製造方法は米国特許第4,613,535号明細書で知られている。この刊行物は、耐衝撃繊維を有する単一層を含むシートを剛体層上に積み重ね、その後で圧縮することによる造形部品の製造を開示している。このシートでは、耐衝撃繊維が熱可塑性マトリックスに埋め込まれ、そのマトリックスは41MPa未満の弾性率を有する。米国特許第4,613,535号明細書の実施例2は、2枚の2×2バスケット織ケブラー(Kevlar(登録商標))29織物に汎用エポキシ樹脂を塗布し、その後でApolloプレートの間で90分間、105℃および0.41MPaの圧力で硬化させて硬化剛体層を製造することを開示している。この硬化剛体層上に、それぞれの単一層の繊維方向が隣接した層の繊維方向と垂直になるように、ポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレンマトリックス中に単一層の一方向高性能ポリエチレン(HPPE)繊維を含むシートを積み重ね、その後で、水圧プレス内の2つのプラテンの間でおよそ0.55MPaおよび130℃でプレスし、続いて圧力下で50℃まで冷やされた。   A method for manufacturing shaped parts is known from US Pat. No. 4,613,535. This publication discloses the production of shaped parts by stacking sheets comprising a single layer with impact resistant fibers onto a rigid layer and then compressing. In this sheet, impact resistant fibers are embedded in a thermoplastic matrix, which has an elastic modulus of less than 41 MPa. Example 2 of U.S. Pat. No. 4,613,535 applies a general epoxy resin to two 2 × 2 basket woven Kevlar (Kevlar®) 29 fabrics, and then between Apollo plates It is disclosed that a cured rigid layer is produced by curing at 105 ° C. and a pressure of 0.41 MPa for 90 minutes. On this cured rigid layer, a single layer of unidirectional high performance polyethylene (HPPE) fiber is placed in a polystyrene-polyisoprene-polystyrene matrix such that the fiber direction of each single layer is perpendicular to the fiber direction of the adjacent layer. The containing sheets were stacked and then pressed between the two platens in a hydraulic press at approximately 0.55 MPa and 130 ° C. and subsequently cooled to 50 ° C. under pressure.

米国特許第4,613,535号明細書による方法の不利な点は、例えばヘルメットなどの曲面造形部品が製造された場合、その衝撃性能が曲面造形部品上の位置によって異なるという点である。   A disadvantage of the method according to US Pat. No. 4,613,535 is that, for example, when a curved shaped part such as a helmet is manufactured, its impact performance varies depending on the position on the curved shaped part.

本発明の目的は、造形部品の衝撃性能が曲面造形部品上の位置によって異なることが少ない造形部品の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a shaped part in which the impact performance of the shaped part is unlikely to vary depending on the position on the curved shaped part.

この目的は、
− 一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む2枚以上のシートを積み重ねてスタックを形成するステップであって、そのスタックにおいて単一層内の繊維の方向が隣接層の繊維方向に対してαの角度になっているステップと、次に、
− スタックを金型に入れるステップと、
− 金型内のスタックを制御部材で固定するステップと、
− 金型を閉じるステップと、
− 温度および圧力のもとでスタックを固化して曲面造形部品にし、その後で金型から造形部品を取り出すステップと
を含む、本発明による方法によって成し遂げられる。
This purpose is
-Stacking two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and binder to form a stack, wherein the direction of fibers in a single layer is relative to the fiber direction of an adjacent layer Step that is at an angle of α, and then
-Putting the stack into the mold;
-Fixing the stack in the mold with a control member;
-Closing the mold;
The solidification of the stack under temperature and pressure into a curved shaped part, after which the step of removing the shaped part from the mold is achieved.

本発明による方法では、製造される造形部品は、曲面造形部品上の位置と位置との間の衝撃性能の変化が、米国特許第4,613,535号明細書による方法で製造される造形部品よりも少ない。本出願における曲面造形部品とは、二重曲率を有する、つまり2本の互いに垂直な軸に沿って曲った(つまり平面から逸脱した)部品を意味する。   In the method according to the invention, the shaped part to be produced is a shaped part whose impact performance change between positions on the curved shaped part is produced by the method according to US Pat. No. 4,613,535. Less than. The curved shaped part in this application means a part having a double curvature, that is, a part bent along two mutually perpendicular axes (that is, deviating from a plane).

本発明による方法の付加的な利点は、造形部品が1つのステップで製造されることであり、これによってこの方法は前記既知の方法よりも効率的なものとなる。   An additional advantage of the method according to the invention is that the shaped part is manufactured in one step, which makes it more efficient than the known method.

本発明による方法では、一方向耐衝撃繊維の単一層という用語は、一方向配向の耐衝撃繊維の繊維網と結合剤(基本的にそれらの繊維をつなぐ)との層を指す。一方向配向の繊維という用語は、実質的に平行に配向している1つの平面上の繊維を指す。   In the method according to the invention, the term single layer of unidirectional impact resistant fibers refers to a layer of a unidirectionally oriented impact resistant fiber network and a binder (essentially connecting the fibers). The term unidirectionally oriented fibers refers to fibers on one plane that are oriented substantially parallel.

繊維という用語は、モノフィラメントだけでなく、とりわけ、マルチフィラメントヤーンまたは平テープ(flat tape)も含む。平テープの幅は、好ましくは2mm〜100mmの間、より好ましくは5mm〜60mmの間、もっとも好ましくは10mm〜40mmの間である。平テープの厚さは、好ましくは10μm〜200μmの間、より好ましくは25μm〜100μmの間である。   The term fiber includes not only monofilaments but, inter alia, multifilament yarns or flat tapes. The width of the flat tape is preferably between 2 mm and 100 mm, more preferably between 5 mm and 60 mm, and most preferably between 10 mm and 40 mm. The thickness of the flat tape is preferably between 10 μm and 200 μm, more preferably between 25 μm and 100 μm.

本発明の単一層における耐衝撃繊維は、少なくとも約1.2GPaの引張り強さおよび少なくとも40GPaの引張弾性率を有する。これらの繊維は、無機繊維または有機繊維であってよい。好適な無機繊維は、例えばガラス繊維、炭素繊維およびセラミック繊維である。無機繊維は、ポリアクリロニトリルから製造される炭素繊維であることが好ましい。   The impact resistant fibers in the single layer of the present invention have a tensile strength of at least about 1.2 GPa and a tensile modulus of at least 40 GPa. These fibers may be inorganic fibers or organic fibers. Suitable inorganic fibers are, for example, glass fibers, carbon fibers and ceramic fibers. The inorganic fiber is preferably a carbon fiber produced from polyacrylonitrile.

そのようの大きな引張り強さを有する好適な有機繊維は、例えば、芳香族ポリアミド繊維(いわゆるアラミド繊維)(特にポリ(p−フェニレンテレフタルアミド))、ポリベンゾイミダールまたはポリベンゾオキサゾールなどの液晶性ポリマー繊維およびはしご形(ladder−like)ポリマー繊維(特にポリ(1,4−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)(PBO)、またはポリ(2,6−ジイミダゾ[4,5−b−4’,5’−e]ピリジニレン(pyridinylene)−1,4−(2,5−ジヒドロキシ)フェニレン)(PIPD;M5とも呼ばれる))および高度に配向している繊維、例えば、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、およびポリアクリロニトリルの繊維で、例えば、ゲル紡糸方法によって得られるものなどである。繊維は、引張り強さが、好ましくは少なくとも2GPa、より好ましくは少なくとも2.5GPaまたはもっとも好ましくは少なくとも3GPaである。これらの繊維の利点は、非常に大きな引張り強さを有するという点であり、その結果として、それらは特に軽量かつ耐衝撃性の物品に用いるのに非常に適している。   Suitable organic fibers having such a high tensile strength are, for example, liquid crystalline properties such as aromatic polyamide fibers (so-called aramid fibers) (especially poly (p-phenylene terephthalamide)), polybenzimidazoles or polybenzoxazoles. Polymer fibers and ladder-like polymer fibers (especially poly (1,4-phenylene-2,6-benzobisoxazole) (PBO), or poly (2,6-diimidazo [4,5-b-4 ', 5'-e] pyridinylene-1,4- (2,5-dihydroxy) phenylene) (PIPD; also referred to as M5)) and highly oriented fibers such as polyolefins, polyvinyl alcohol, and Polyacrylonitrile fiber, for example, by gel spinning method Those obtained Te, and the like. The fibers preferably have a tensile strength of at least 2 GPa, more preferably at least 2.5 GPa or most preferably at least 3 GPa. The advantage of these fibers is that they have a very high tensile strength, so that they are very suitable for use in particularly lightweight and impact-resistant articles.

好適なポリオレフィンは、特にエチレンおよびプロピレンのホモポリマーおよびコポリマーであり、これは少量の1種または複数種の他のポリマー、特に他のアルケン−1−ポリマーも含んでよい。   Suitable polyolefins are in particular ethylene and propylene homopolymers and copolymers, which may also contain small amounts of one or more other polymers, especially other alkene-1-polymers.

線状ポリエチレン(PE)をポリオレフィンとして選択した場合に、良好な結果が得られる。本明細書では、線状ポリエチレンとは100個のC原子当たり側鎖が1本より少ないポリエチレン、好ましくは300個のC原子当たり側鎖が1本より少ないポリエチレンを意味すると理解され、側鎖または分岐は一般に少なくとも10個のC原子を有する。線状ポリエチレンは、これと共重合可能な1種または複数種の他のアルケン(プロペン、ブテン、ペンテン、4−メチルペンテン、オクテンなど)を5モル%までさらに含んでもよい。線状ポリエチレンは、固有粘度(IV、135℃においてデカリン溶液で測定)が少なくとも4dl/g、より好ましくは少なくとも8dl/gである、モル質量の大きいものであることが好ましい。そのようなポリエチレンは超高モル質量ポリエチレンとも呼ばれる。固有粘度は、MおよびMのような実際のモル質量パラメーターよりも容易に測定できる、分子量の尺度である。IVとMとの間には幾つかの経験的関係があるが、そうした関係は分子量分布に大きく依存する。計算式M=5.37×10[IV]1.37(EP 0504954 A1を参照)に基づくと、IVの4または8dl/gはそれぞれMの約360または930kg/molと等しいであろう。 Good results are obtained when linear polyethylene (PE) is selected as the polyolefin. As used herein, linear polyethylene is understood to mean polyethylene having less than one side chain per 100 C atoms, preferably polyethylene having less than one side chain per 300 C atoms, The branch generally has at least 10 C atoms. The linear polyethylene may further contain up to 5 mol% of one or more other alkenes (propene, butene, pentene, 4-methylpentene, octene, etc.) copolymerizable therewith. The linear polyethylene is preferably of a large molar mass with an intrinsic viscosity (IV, measured with decalin solution at 135 ° C.) of at least 4 dl / g, more preferably at least 8 dl / g. Such polyethylene is also referred to as ultra high molar mass polyethylene. Intrinsic viscosity is a measure of molecular weight that can be more easily measured than actual molar mass parameters such as Mn and Mw . There are several empirical relationships between IV and Mw , but such relationships are highly dependent on molecular weight distribution. Based on the formula M w = 5.37 × 10 4 [IV] 1.37 (see EP 0504951 A1), 4 or 8 dl / g of IV is equal to about 360 or 930 kg / mol of M w , respectively. Let's go.

ゲル紡糸方法(例えば、GB 2042414 AまたはWO01/73173号に記載されているものなど)によって調製されたポリエチレンフィラメントから構成される高性能ポリエチレン(HPPE)繊維を、耐衝撃繊維として使用するのが好ましい。その場合、非常に良好な耐衝撃/重量性能がもたらされる。ゲル紡糸方法は基本的には、高い固有粘度を有する線状ポリエチレンの溶液を調製すること、溶解温度より上の温度でその溶液からフィラメントを作ること、ゲル化温度未満までフィラメントを冷却してゲル化を起こすこと、および溶剤の除去時または除去後にフィラメントを延伸することからなっている。   High performance polyethylene (HPPE) fibers composed of polyethylene filaments prepared by gel spinning methods (such as those described in GB 2042414 A or WO 01/73173) are preferably used as impact resistant fibers. . In that case, very good impact / weight performance is provided. The gel spinning method basically consists of preparing a solution of linear polyethylene having a high intrinsic viscosity, making a filament from the solution at a temperature above the melting temperature, and cooling the filament to a temperature below the gelation temperature to form a gel. And stretching the filament during or after removal of the solvent.

「結合剤」という用語は、一方向配向の繊維と結合剤との単一層を含むシートにおいて繊維を結合またはつなぐ材料を指し、結合剤は、予備成形シートの取り扱い時または作製時に単一層の構造が維持されるように、繊維の全体または一部を取り囲むことができる。結合剤はさまざまな形態または方法で施すことができる。例えば、フィルムとして(それを溶融させて耐衝撃繊維を少なくとも部分的に覆うことにより)、横断結合ストリップまたは横断繊維として(一方向繊維に対して横方向)、またはマトリックス材(例えば、ポリマーメルト、液体中に高分子材料を含む溶液または分散液)を繊維に含浸させ、かつ/またはマトリックス材で繊維を埋め込むことで、施すことができる。マトリックス材は単一層の表面全体に均一に広がっていることが好ましいが、結合ストリップまたは結合繊維は局部的に施されていてよい。好適な結合剤は、例えば、EP 0191306 B1、EP 1170925 A1、EP 0683374 B1およびEP 1144740 A1に記載されている。   The term “binder” refers to a material that bonds or joins fibers in a sheet that includes a single layer of unidirectionally oriented fibers and binder, where the binder is a single layer structure when handling or making a preformed sheet. So that all or part of the fiber can be surrounded. The binder can be applied in various forms or ways. For example, as a film (by melting it and at least partially covering the impact resistant fibers), as a cross-bonding strip or transverse fibers (transverse to unidirectional fibers), or a matrix material (eg, polymer melt, The solution can be applied by impregnating the fiber with a solution or dispersion containing a polymer material in a liquid and / or embedding the fiber with a matrix material. The matrix material preferably extends evenly over the surface of the single layer, but the bonding strips or fibers may be applied locally. Suitable binders are described, for example, in EP 0191306 B1, EP 1170925 A1, EP 0683374 B1 and EP 1144740 A1.

好ましい実施態様では、結合剤はポリマーマトリックス材であり、熱硬化性材料または熱可塑性材料、あるいはそれら2種類の混合物であってよい。マトリックス材の破断点伸びは、好ましくは繊維の伸び率より大きい。結合剤は、好ましくは2〜600%の伸び率、より好ましくは4〜500%の伸び率を有する。好適な熱硬化性および熱可塑性マトリックス材は、例えば、国際公開第91/12136A1号パンフレット(15〜21ページ)に列挙されている。マトリックス材が熱硬化性ポリマーである場合、好ましくは、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂がマトリックス材として選択される。マトリックス材が熱可塑性ポリマーである場合、好ましくは、ポリウレタン、ポリビニル、ポリアクリル、ポリオレフィンまたは熱可塑性エラストマーブロックコポリマー(ポリイソプロペン−ポリエチレン−ブチレン−ポリスチレンまたはポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレンブロックコポリマーなど)がマトリックス材として選択される。結合剤は熱可塑性ポリマーで構成されていることが好ましく、その結合剤は好ましくは単一層における前記繊維の個々のフィラメントを完全に覆っており、その結合剤は(ASTM D638(25℃)に従って測定した)引張弾性率が少なくとも75MPa、より好ましくは少なくとも150MPa、さらにより好ましくは少なくとも250MPa、もっとも好ましくは少なくとも400MPaである。結合剤は、引張弾性率が1000MPa以下であることが好ましい。そのような結合剤により、単一層を含むシートの柔軟性が高いものとなり、かつ固化スタックでは十分に高い剛性がもたらされる。耐衝撃繊維が無機繊維である場合、結合剤は、(ASTM D638(25℃)に従って測定した)引張弾性率が好ましくは少なくとも500MPa、より好ましくは少なくとも750MPaである。単一層を含む非常に硬質のシートが求められる場合には、引張弾性率が好ましくは少なくとも1500MPaである。   In a preferred embodiment, the binder is a polymer matrix material and may be a thermosetting material or a thermoplastic material, or a mixture of the two. The elongation at break of the matrix material is preferably greater than the elongation of the fibers. The binder preferably has an elongation of 2 to 600%, more preferably an elongation of 4 to 500%. Suitable thermosetting and thermoplastic matrix materials are listed, for example, in WO 91/12136 A1 (pages 15 to 21). When the matrix material is a thermosetting polymer, vinyl esters, unsaturated polyesters, epoxy resins or phenol resins are preferably selected as the matrix material. Where the matrix material is a thermoplastic polymer, preferably a polyurethane, polyvinyl, polyacryl, polyolefin or thermoplastic elastomer block copolymer (such as polyisopropene-polyethylene-butylene-polystyrene or polystyrene-polyisoprene-polystyrene block copolymer) is the matrix. Selected as material. The binder is preferably composed of a thermoplastic polymer, which preferably completely covers the individual filaments of the fibers in a single layer, the binder being measured according to (ASTM D638 (25 ° C.) The tensile modulus is at least 75 MPa, more preferably at least 150 MPa, even more preferably at least 250 MPa, and most preferably at least 400 MPa. The binder preferably has a tensile modulus of 1000 MPa or less. Such a binder makes the sheet containing the single layer more flexible and provides a sufficiently high stiffness in the solidified stack. When the impact resistant fiber is an inorganic fiber, the binder preferably has a tensile modulus (measured according to ASTM D638 (25 ° C.)) of at least 500 MPa, more preferably at least 750 MPa. If a very hard sheet comprising a single layer is required, the tensile modulus is preferably at least 1500 MPa.

単一層における結合剤の量は、30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、20質量%以下、あるいは実に15質量%以下であることが好ましい。それによって最高の衝撃性能がもたらされる。   The amount of the binder in the single layer is preferably 30% by mass or less, more preferably 25% by mass or less, 20% by mass or less, or indeed 15% by mass or less. This provides the best impact performance.

本発明による方法では、スタックは、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含んでいる2枚以上のシートを積み重ねることによって形成され、その場合、スタックにおいて、単一層の繊維方向が隣接層の繊維方向に対してαの角度であり、またその場合に、αは好ましくは5〜90°の間、より好ましくは45〜90°の間、もっとも好ましくは75〜90°の間である。   In the method according to the invention, the stack is formed by stacking two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder, in which case the single layer of fiber direction is adjacent. An angle of α with respect to the fiber direction of the layer, and in that case α is preferably between 5 and 90 °, more preferably between 45 and 90 °, most preferably between 75 and 90 °. .

得られたスタックは一般には開いた金型(一般には雌型部分と雄型部分から構成される)に入れられ、その後、スタックは金型の一方の部分(一般には雌型部分)に固定される。この固定はいわゆる制御部材によって行われる。またスタックが前記雌金型部分に対して所定の位置に取り付けられるが、金型の閉鎖時(つまり雄型部分を雌金型部分の中に移動させる時)にスタックが依然として摺動できるように、この固定は行われる。制御部材によるこの固定は、好適には、雌金型部分に対してスタックを外側領域からプレスすることによって行うことができる。金型の一方の部分に対する制御部材の固定の力は、好ましくは50〜5000Nの間、より好ましくは100〜3000Nの間の範囲であり、当業者によるいくらかのごく普通の実験によって最適化することができる。最適化の際に、当業者は、スタックを雌金型部分にプレスするのに十分大きな固定力(clamping force)を選択するであろうが、それと共にこの固定力は、金型を閉じる際にスタックが摺動して雌金型部分内に入ることができるほど十分小さいものである。   The resulting stack is typically placed in an open mold (generally comprised of a female part and a male part), after which the stack is secured to one part of the mold (typically a female part). The This fixing is performed by a so-called control member. Also, the stack is mounted in place with respect to the female mold part so that the stack can still slide when the mold is closed (ie when the male part is moved into the female mold part). This fixing is done. This fixing by the control member can preferably be done by pressing the stack against the female mold part from the outer area. The fixing force of the control member on one part of the mold is preferably in the range between 50 and 5000 N, more preferably between 100 and 3000 N, and should be optimized by some routine experimentation by those skilled in the art. Can do. During optimization, those skilled in the art will select a clamping force that is large enough to press the stack into the female mold part, along with this fixing force when closing the mold. It is small enough that the stack can slide into the female mold part.

スタックを金型の一方の部分に固定した後、例えば、雄型部分を雌金型部分の中に移動させて金型を閉じ、それによってスタックをプレスして金型の形状に安定させる。その後、スタックは温度および圧力下で固化されて造形部品、つまり曲面造形部品にされる。マトリックス材が熱可塑性ポリマーである場合、固化は、熱可塑性ポリマーを溶融させた後にスタックを冷却することによって行う。マトリックス材が熱硬化性ポリマーである場合、固化は熱硬化性ポリマーを加熱および反応させることによって行い、その後でスタックを冷却する。   After fixing the stack to one part of the mold, for example, the male part is moved into the female mold part to close the mold, thereby pressing the stack to stabilize the shape of the mold. Thereafter, the stack is solidified under temperature and pressure into a shaped part, that is, a curved shaped part. If the matrix material is a thermoplastic polymer, solidification is accomplished by cooling the stack after melting the thermoplastic polymer. If the matrix material is a thermosetting polymer, solidification is performed by heating and reacting the thermosetting polymer, after which the stack is cooled.

固化時の温度は一般に、金型温度によって制御する。溶融時または反応時の温度は一般に、耐衝撃繊維がその高い機械的性質を(例えば、溶融のせいで)失う温度未満から選択する。金型温度は、繊維の溶融温度よりも少なくとも10℃、好ましくは少なくとも15℃、さらには少なくとも20℃低いことが好ましい。繊維が明確な溶融温度を示さない場合、溶融温度の代わりに繊維がその機械的性質を失い始める温度を読み取るべきである。繊維がその機械的性質を失い始める温度は、本出願では軟化温度と呼ぶ。例えば、溶融温度が155℃であることが多いHPPE繊維の場合、一般には135℃未満の金型温度が選択されることになる。最低温度は一般に、適度な固化速度が得られるように選択する。この点において、50℃は好適な下限温度であり、この下限は好ましくは少なくとも75℃、より好ましくは少なくとも95℃、もっとも好ましくは少なくとも115℃である。   The temperature during solidification is generally controlled by the mold temperature. The temperature during melting or reaction is generally selected from below the temperature at which the impact resistant fiber loses its high mechanical properties (eg, due to melting). The mold temperature is preferably at least 10 ° C., preferably at least 15 ° C., more preferably at least 20 ° C. lower than the melting temperature of the fibers. If the fiber does not exhibit a clear melting temperature, the temperature at which the fiber begins to lose its mechanical properties should be read instead of the melting temperature. The temperature at which the fiber begins to lose its mechanical properties is referred to in this application as the softening temperature. For example, for HPPE fibers that often have a melting temperature of 155 ° C., a mold temperature of generally less than 135 ° C. will be selected. The minimum temperature is generally selected to provide a reasonable solidification rate. In this regard, 50 ° C. is a suitable lower temperature limit, which is preferably at least 75 ° C., more preferably at least 95 ° C., and most preferably at least 115 ° C.

固化時の圧力は、好ましくは少なくとも7MPa、より好ましくは少なくとも10MPa、さらにより好ましくは少なくとも13MPa、もっとも好ましくは少なくとも16MPaである。このような方法で、耐衝撃性能がより優れたものにされる。任意選択的に、この固化の前に低圧の事前成形(pre−shaping)ステップを行ってよい。この事前成形ステップ時の圧力は、2〜5MPaまでさまざまであってよい。事前成形の後、かつ固化の前に、金型を開いてふくれが発生していないか確認することができ、その後そのふくれは、例えば鋭利な物で穴をあけて除去することができる。ふくれを防ぐその他の選択肢としては、成形時のガス抜きまたは真空の使用がある。   The pressure during solidification is preferably at least 7 MPa, more preferably at least 10 MPa, even more preferably at least 13 MPa, and most preferably at least 16 MPa. By such a method, the impact resistance performance is further improved. Optionally, a low pressure pre-shaping step may be performed prior to this solidification. The pressure during this pre-forming step may vary from 2 to 5 MPa. After pre-molding and before solidification, the mold can be opened to check for blisters, which can then be removed, for example, with a sharp object. Other options to prevent blistering include venting or vacuuming during molding.

固化の最適時間は、温度、圧力および部品の厚さなどの条件によるが、一般には5〜120分の範囲であり、ごく普通の実験によって確認できる。   The optimum time for solidification depends on conditions such as temperature, pressure, and part thickness, but is generally in the range of 5 to 120 minutes, and can be confirmed by ordinary experiments.

マトリックス材が熱可塑性ポリマーである場合、スタックは冷却して固化させる。冷却は、圧力を保持しながら行うのが好ましい。そのようにすると、耐衝撃性能が高くなる。冷却は、造形部品が90℃以下、好ましくは75℃以下、より好ましくは50℃以下の温度に達するまで行う。造形部品がこの温度に達したならすぐに金型を開くことができ、造形部品を金型から取り出す。生じうるくずを後で造形部品から切り取る。それに加えて、造形部品は、のこ引き、研磨、ドリリングなどの知られている機械技術によって所望の最終寸法にさらに加工してよい。   If the matrix material is a thermoplastic polymer, the stack is allowed to cool and solidify. Cooling is preferably performed while maintaining the pressure. If it does so, impact resistance performance will become high. Cooling is performed until the shaped part reaches a temperature of 90 ° C. or lower, preferably 75 ° C. or lower, more preferably 50 ° C. or lower. As soon as the shaped part reaches this temperature, the mold can be opened and the shaped part is removed from the mold. Any possible waste is later cut from the shaped part. In addition, the shaped part may be further processed to the desired final dimensions by known mechanical techniques such as sawing, polishing, drilling and the like.

本発明による方法の好ましい実施態様では、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含んでいる2枚以上のシートは長方形シートであり、より好ましくは正方形シートであって、そのシートでは、耐衝撃繊維の方向が前記シートの対角線と平行になっている。その結果として、固化した製品から除去されるくずは最少量となる。くずの量を減らすことは、特に高性能の耐衝撃繊維(例えば、HPPEおよびアラミドなど)にとって重要な問題である。このことは、特にこれらの繊維が高コストである点について言えば有利である。   In a preferred embodiment of the method according to the invention, the two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact-resistant fibers and binder are rectangular sheets, more preferably square sheets, The direction of the impact resistant fiber is parallel to the diagonal of the sheet. As a result, the least amount of debris is removed from the solidified product. Reducing the amount of litter is an important issue, especially for high performance impact resistant fibers such as HPPE and aramid. This is particularly advantageous in terms of the high cost of these fibers.

本発明による方法でのスタックの形成の際に、任意選択的に、第2耐衝撃繊維の織物の少なくとも1つの層が、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む2枚以上のシートの上またはそれらの間に配置されてよい。スタックを形成するときにはいつでも、第2耐衝撃繊維の織物のこの層はスタック全体の任意の位置にあってよいが、織物のこの層は、この方法で得られる造形部品の衝撃面にこの織物が近接するような仕方でスタック内に配置されるのが好ましい。特別の実施態様では、織物は、本発明による方法で得られる曲面造形部品のまさに衝撃面を形成することもできる。造形部品の衝撃面は、衝撃衝突(ballistic impact)に直面する製品の側面である。織物の層は、前に列挙したポリマーから選択される結合剤を含んでよい。   Upon formation of the stack in the method according to the present invention, optionally, at least one layer of the second impact-resistant fiber fabric comprises two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact-resistant fibers and binder. It may be placed on or between the sheets. Whenever the stack is formed, this layer of fabric of the second impact resistant fiber may be at any location throughout the stack, but this layer of fabric will have this fabric on the impact surface of the shaped part obtained in this way. It is preferably arranged in the stack in a close-up manner. In a special embodiment, the fabric can also form the very impact surface of a curved shaped part obtained with the method according to the invention. The impact surface of a shaped part is the side of the product that encounters a ballistic impact. The fabric layer may comprise a binder selected from the polymers listed above.

第2耐衝撃繊維は、前に列挙した耐衝撃繊維の範囲から選択してよい。本発明による方法の特別の実施態様では、一方向耐衝撃繊維および織物の層の中の第2耐衝撃繊維は同じ種類のポリマーをベースにしている。それにより、造形部品ではスタックと織物との間の層間はく離が起こる可能性は最も低くなる。この耐衝撃繊維は、好ましくは前述のゲル紡糸方法で得られるポリエチレン繊維をベースにしていることが最も好ましい。   The second impact resistant fiber may be selected from the range of impact resistant fibers listed above. In a particular embodiment of the method according to the invention, the unidirectional impact fiber and the second impact fiber in the fabric layer are based on the same type of polymer. Thereby, in the shaped part, the possibility of delamination between the stack and the fabric is lowest. The impact resistant fibers are most preferably based on polyethylene fibers, preferably obtained by the gel spinning method described above.

本発明の方法では、一方向耐衝撃繊維は有機繊維であり、第2耐衝撃繊維は無機繊維であることが好ましい。   In the method of the present invention, the unidirectional impact resistant fiber is preferably an organic fiber, and the second impact resistant fiber is preferably an inorganic fiber.

本発明による方法の好ましい実施態様では、耐衝撃繊維または衝撃面に非常に近い層の少なくとも1つの層にある第2耐衝撃繊維は、熱硬化性マトリックスに埋め込まれる。このような方法で、より硬質の造形部品が得られる。この熱硬化性マトリックスは、すでに上に列挙した熱硬化性ポリマーの群から選択される。   In a preferred embodiment of the method according to the invention, the impact-resistant fibers or the second impact-resistant fibers in at least one of the layers very close to the impact surface are embedded in a thermosetting matrix. In this way, a harder shaped part can be obtained. This thermosetting matrix is selected from the group of thermosetting polymers already listed above.

本発明による方法のさらに別の好ましい実施態様では、スタック中の長方形または正方形シートの一部は、もっと小さな表面領域(surface area)のシート、好ましくは円形状のシート(例えば、楕円形または円形シートなど)と交換される。この場合、そのような円形シートとそのような長方形または正方形シートとの表面領域の比は、2〜75重量%、好ましくは5〜60%、より好ましくは10〜40%の範囲にすることができる(特に明記されていない限り、本出願における百分率は重量パーセントである)。楕円形または円形シートの繊維方向は、隣接単一層の繊維方向に対してαの角度になるように選択され、その場合にαは5〜90°の間である。円形シート数と長方形または正方形シート数との比率は、2〜20%、好ましくは4〜10%の範囲にしてよい。これにより、曲面造形部品の表面の性質が向上する。少なくとも1枚または複数枚の長方形または正方形シートを、少なくとも1枚の楕円形または円形シートと交互にすることが好ましい。「クラウン」と呼ばれることが多いヘルメットの場合、少なくとも1枚の楕円形または円形シートを、衝撃面の最も近くに配置するのが好ましい。これは、少なくとも1枚の楕円形または円形シートと衝撃面との間に配置される一方向耐衝撃繊維の単一層を含むシートが、楕円形または円形シートと衝撃面の反対表面との間の一方向耐衝撃繊維の単一層を含むシートよりも少ないことを意味する。一般に、長方形または正方形シートおよび楕円形または円形シートは、それぞれの中心が互いの上にくるように積み重ねられる。楕円形または円形シートはそれぞれの上に配置し、それらの間には他の層が何もないようにするのが好ましい。得られる曲面造形部品の表面の性質が向上するようにするため、楕円形または円形シートの直径は異なっているのが好ましい。   In yet another preferred embodiment of the method according to the invention, the part of the rectangular or square sheet in the stack is a sheet with a smaller surface area, preferably a circular sheet (for example an oval or circular sheet). Etc.). In this case, the ratio of the surface area of such a circular sheet to such a rectangular or square sheet should be in the range of 2 to 75% by weight, preferably 5 to 60%, more preferably 10 to 40%. (Percentage in this application is percent by weight unless otherwise specified). The fiber direction of the oval or circular sheet is selected to be at an angle α with respect to the fiber direction of the adjacent single layer, where α is between 5 and 90 °. The ratio between the number of round sheets and the number of rectangular or square sheets may be in the range of 2-20%, preferably 4-10%. This improves the surface properties of the curved shaped part. Preferably, at least one or more rectangular or square sheets are alternated with at least one oval or circular sheet. In the case of helmets often referred to as “crowns”, it is preferable to place at least one oval or circular sheet closest to the impact surface. This is because a sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers disposed between at least one oval or circular sheet and the impact surface is between the oval or circular sheet and the opposite surface of the impact surface. It means less than a sheet containing a single layer of unidirectional impact resistant fibers. In general, rectangular or square sheets and oval or circular sheets are stacked such that their centers are on top of each other. The oval or circular sheets are preferably placed on top of each other so that there are no other layers between them. In order to improve the surface properties of the resulting curved shaped part, it is preferred that the diameters of the oval or circular sheets are different.

本発明による方法の別の好ましい実施態様では、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含み、それぞれの単一層の耐衝撃繊維の方向が隣接単一層の繊維方向に対してαの角度になっている2枚以上のシートのスタックが、少なくとも1枚の炭素繊維シートをさらに含む。炭素繊維シートは、織物または不織の(一方向配向を含む)炭素繊維と好ましくは結合剤とを含むシートであり、前記結合剤は前に列挙した範囲から選択される。炭素繊維シートは炭素繊維および結合剤から構成されていることが好ましい。炭素繊維シートの表面領域は、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記シートの表面領域と同じであってよい。   In another preferred embodiment of the method according to the invention, it comprises a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder, the direction of each single layer of impact resistant fibers being an angle α with respect to the fiber direction of the adjacent single layer. And the stack of two or more sheets further comprises at least one carbon fiber sheet. The carbon fiber sheet is a sheet comprising woven or non-woven carbon fibers (including unidirectional orientation) and preferably a binder, wherein the binder is selected from the ranges listed above. The carbon fiber sheet is preferably composed of carbon fibers and a binder. The surface area of the carbon fiber sheet may be the same as the surface area of the sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and binder.

炭素繊維シートの表面領域は、好ましくは、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記シートの表面領域の80%以下、より好ましくは炭素繊維シートの前記表面領域が60%以下、さらにより好ましくは炭素繊維シートの表面領域が、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記シートの表面領域の30%以下である。   The surface area of the carbon fiber sheet is preferably 80% or less of the surface area of the sheet including a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder, more preferably the surface area of the carbon fiber sheet is 60% or less, Even more preferably, the surface area of the carbon fiber sheet is 30% or less of the surface area of the sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder.

炭素繊維シートの表面領域は、単一層を含む前記シートの中心を覆う形態であってよい。そのような表面は、閉じた円の形態であってよい。その利点は、本発明による方法で得られる造形部品(例えば、ヘルメットの形態)は、例えば、落石による上からの衝突に対してさらなる保護を与えるとう点である。この炭素繊維シートは、衝撃面に近いスタック内に位置していることが好ましい。本発明者らは、造形部品の中心部分を覆う形態のそのような炭素繊維シート(最終造形部品よりも表面領域が小さい)は、衝突を受ける(より具体的には衝撃衝突を受ける)一方向繊維を含んでいない任意の他の造形部品に非常に申し分なく用いることができることをさらに見出した。このようにして、上からの衝突に対する保護の向上という既述の利点が維持される。   The surface region of the carbon fiber sheet may be configured to cover the center of the sheet including a single layer. Such a surface may be in the form of a closed circle. The advantage is that the shaped part (for example in the form of a helmet) obtained with the method according to the invention provides further protection against collisions from above, for example due to falling rocks. This carbon fiber sheet is preferably located in the stack close to the impact surface. We believe that such a carbon fiber sheet in a form that covers the central part of the shaped part (which has a smaller surface area than the final shaped part) is subject to impact (more specifically impact impact). It has further been found that it can be used very satisfactorily for any other shaped part that does not contain fibers. In this way, the stated advantage of improved protection against collisions from above is maintained.

しかし、炭素繊維シートの表面領域は、単一層を含む前記シートの中心部分を覆わない形態であってもよい。そのような表面は、輪(open circle)または円環の形態であってよい。その利点は、本発明による方法で得られる造形部品(例えば、ヘルメットの形態)は、横方向の剛性が大きくなるという点である。これは、そのようなヘルメットをかぶっている人にとって、例えば、衝突時の耳の側面保護がさらに向上することを意味する。この炭素繊維シートは、衝撃面とは反対側のスタック表面に近いスタック内の位置にあることが好ましい。本発明者らは、造形部品の中心部分を覆わない形態のそのような炭素繊維シート(つまり、カットアウト、好ましくは中心のカットアウトを有する炭素繊維シート)が、衝突を受ける(より具体的には衝撃衝突を受ける)一方向繊維を含んでいない任意の他の造形部品に非常に申し分なく用いることができることをさらに見出した。このようにして、側面保護の向上という既述の利点が維持される。   However, the surface region of the carbon fiber sheet may be in a form that does not cover the central portion of the sheet including a single layer. Such a surface may be in the form of an open circle or an annulus. The advantage is that the shaped part (for example, in the form of a helmet) obtained with the method according to the invention has a high lateral stiffness. This means that for those wearing such a helmet, for example, the side protection of the ears during a collision is further improved. This carbon fiber sheet is preferably in a position in the stack close to the stack surface opposite to the impact surface. The inventors have determined that such a carbon fiber sheet in a form that does not cover the central part of the shaped part (ie, a carbon fiber sheet having a cut-out, preferably a central cut-out) is subjected to a collision (more specifically, It has further been found that it can be used very well for any other shaped part that does not contain unidirectional fibers (which undergo impact collisions). In this way, the stated advantage of improved side protection is maintained.

したがって、前記炭素繊維シートは、特に有機耐衝撃繊維を含む曲面造形部品の製造に用いるのに非常に適している。そうした有機耐衝撃繊維は、前記ゲル紡糸ポリエチレンまたはアラミド繊維であることが好ましい。そのような造形部品のある特定用途の要求条件に応じて、炭素繊維シートの既述の表面領域の両方を1つの造形部品で組み合わせることができる。   Therefore, the carbon fiber sheet is particularly suitable for use in the production of curved shaped parts including organic impact resistant fibers. Such organic impact resistant fibers are preferably the gel-spun polyethylene or aramid fibers. Depending on the requirements of a particular application of such a shaped part, both of the aforementioned surface areas of the carbon fiber sheet can be combined in one shaped part.

本発明による方法のさらに別の好ましい実施態様では、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含むシートのスタックの中心部分、および任意選択である少なくとも1つの織物層に、カットアウトがあり、それは例えば、前記層の円形領域が切り抜かれて中心にオープンスペースが残されたような形態のものである。一般に、そのような円形領域は、表面領域が単一層の表面領域の60%未満、好ましくは40%未満になる。その利点は、例えば、熱帯地域にとって便利な頂部開口型のヘルメットの形態の曲面造形部品を製造できる点である。あるいは固化した造形部品から中心のオープンスペースを切り抜いてもよい。   In yet another preferred embodiment of the method according to the invention, there is a cutout in the central part of the stack of sheets comprising a single layer of unidirectional impact-resistant fibers and binder, and optionally at least one fabric layer , For example, in a form in which the circular area of the layer is cut out leaving an open space in the center. In general, such circular areas will have a surface area of less than 60%, preferably less than 40% of the surface area of a single layer. The advantage is that, for example, a curved shaped part in the form of a top-opening helmet that is convenient for the tropical region can be manufactured. Alternatively, the central open space may be cut out from the solidified shaped part.

本発明による方法は、一方向耐衝撃繊維の単一層のスタックの代わりに、織物のスタックでも同様に都合のよい仕方で実施できる。ただし、一方向耐衝撃繊維の単一層を用いた本発明による方法により耐衝撃性能のより高い製品がもたらされるので、もっとも好ましいのはそのような方法である。   Instead of a single layer stack of unidirectional impact resistant fibers, the method according to the invention can be carried out in a similarly convenient manner with a stack of fabrics. However, such a method is most preferred because the method according to the present invention using a single layer of unidirectional impact resistant fibers results in a product with higher impact resistance.

本発明による方法では、曲面造形部品上の位置と位置の間の衝撃性能の変化が、米国特許第4,613,535号明細書による方法で製造される造形部品よりも少ない造形部品がもたらされる。したがって、本発明はまた、本発明による方法で得られる曲面造形部品に関する。本発明による曲面造形部品の付加的な利点は、所定の重量におけるVo値(つまり、部品を貫通しないブレットまたは破片の最高速度)が大きくなるという点である。本発明による方法で得られる曲面造形部品として、例えば、ヘルメット、ヘルメット・シェル(helmet shells)、曲面パネル、円錐形標識およびドームがある。   The method according to the invention results in a shaped part with less impact performance change between positions on the curved shaped part than the shaped part produced by the method according to US Pat. No. 4,613,535. . The invention therefore also relates to a curved shaped part obtained by the method according to the invention. An additional advantage of the curved shaped part according to the invention is that the Vo value at a given weight (i.e. the maximum speed of the bullet or debris that does not penetrate the part) is increased. Curved shaped parts obtained by the method according to the invention include, for example, helmets, helmet shells, curved panels, conical signs and domes.

したがって、本発明はまた、2枚以上のシートであって、それぞれのシートが一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含み、それぞれの単一層の耐衝撃繊維の方向が隣接単一層の繊維方向に対してαの角度になっている2枚以上のシートと、少なくとも1枚の炭素繊維シートとを含む曲面造形部品に関する。一方向耐衝撃繊維は、好ましくは前記ポリエチレン繊維であり、より好ましくはHPPE;アラミド繊維またははしご形ポリマー繊維である。より好ましくは、一方向耐衝撃繊維は前記ポリエチレン繊維である。この場合、例えば、衝撃の危険に対して良好な保護を引き続き提供しながらも、できるだけ軽い曲面造形部品が生み出される。   Thus, the present invention also includes two or more sheets, each sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder, wherein each single layer of impact resistant fibers is in the direction of an adjacent single layer. The present invention relates to a curved shaped part including two or more sheets having an angle α with respect to the fiber direction and at least one carbon fiber sheet. The unidirectional impact resistant fiber is preferably the polyethylene fiber, more preferably HPPE; aramid fiber or ladder polymer fiber. More preferably, the unidirectional impact resistant fiber is the polyethylene fiber. In this case, for example, a curved shaped part that is as light as possible is produced while still providing good protection against shock hazards.

本発明による方法で得られる曲面造形部品は、耐衝撃物品の製造に用いるのに非常に適している。   The curved shaped part obtained by the method according to the invention is very suitable for use in the production of impact resistant articles.

[本出願で言及されている試験方法は以下の通りである]
IV: 固有粘度は、デカリン中135℃でPTC−179の方法(Hercules Inc.レビュー、1982年4月29日(Rev.Apr.29,1982))に従って測定し、溶解時間は16時間であり、DBPCを酸化防止剤として2g/リットル溶液の量だけ用い、種々の濃度で測定された粘度を濃度ゼロに外挿する。
[The test methods mentioned in this application are as follows]
IV: Intrinsic viscosity is measured according to the method of PTC-179 at 135 ° C. in decalin (Hercules Inc. review, April 29, 1982 (Rev. Apr. 29, 1982)), the dissolution time is 16 hours, DBPC is used as an antioxidant in an amount of 2 g / liter solution and the viscosity measured at various concentrations is extrapolated to zero concentration.

側鎖:UHPE試料中の側鎖の数は、2mmの厚さの圧縮成形フィルムでFTIRによって求め、1375cm−1における吸収量を測り、NMRの測定値に基づく検量線を使用する(例えば、EP 0269151の場合のように)。 Side chains: The number of side chains in a UHPE sample is determined by FTIR with a compression molded film with a thickness of 2 mm, the absorption at 1375 cm −1 is measured, and a calibration curve based on NMR measurements is used (eg, EP As in 0269151).

引張特性(25℃で測定):引張り強さ(または強さ)、引張弾性率(または弾性率)および破断点伸び(またはeab)は、ASTM D885Mで規定されているように定義し、マルチフィラメントヤーンで測定する。繊維の公称標点距離は500mm、クロスヘッド速度は50%/分で行う。弾性率は、測定された応力−歪曲線に基づいて、0.3〜1%の歪の間の傾きとして求める。弾性率および強さを計算するために、測定した引張力を、10メートルの繊維を計量して測定されるタイターで割り、値(GPa単位)は密度を0.97g/cmと仮定して計算する。薄膜の引張特性はISO 1184(H)に従って測定した。 Tensile properties (measured at 25 ° C.): Tensile strength (or strength), tensile modulus (or modulus) and elongation at break (or eab) are defined as specified in ASTM D885M, multifilament Measure with yarn. The nominal gauge distance of the fiber is 500 mm and the crosshead speed is 50% / min. The elastic modulus is determined as the slope between 0.3 and 1% strain based on the measured stress-strain curve. To calculate the modulus and strength, the measured tensile force is divided by the titer measured by weighing 10 meters of fiber and the value (in GPa) assumes a density of 0.97 g / cm 3 calculate. The tensile properties of the thin film were measured according to ISO 1184 (H).

耐衝撃試験手順:1.1グラムの模擬破片発射物(Fragment simulating projectiles)(FSP)を使用して発射を行った。発射は、目的とするFSP速度が予想V50(680メートル/秒)とほぼ等しくなるようにして行った。実際のFSP速度は、衝突前に測定した。貫通が起きた場合、次の発射の速度は予想量である15m/秒だけ減少させた(FSP速度を前もって正確に設定することは不可能であることに注目すべきである)。爆発量および装填の仕方では、速度の設定値の推定しか行えない。しかし、衝突前の速度の測定は非常に正確である。発射物が停止した場合には、次の目的とするFSP速度を15m/秒増大させた。それぞれのヘルメットに対して、互いにほぼ同じ距離で、かつヘルメットのエッジから約6cmの距離(こうしてエッジ効果を排除する)のヘルメットの縁の周りに8回の発射を行った。   Impact resistance test procedure: Firing was performed using 1.1 grams of Fragment Simulating Projectiles (FSP). The launch was performed such that the intended FSP speed was approximately equal to the expected V50 (680 meters / second). The actual FSP speed was measured before the collision. If penetration occurred, the speed of the next launch was reduced by the expected amount of 15 m / s (note that it is impossible to set the FSP speed accurately in advance). With the amount of explosion and the way of loading, only the speed set value can be estimated. However, the velocity measurement before the collision is very accurate. When the projectile stopped, the next target FSP speed was increased by 15 m / sec. For each helmet, eight shots were made around the helmet edge at approximately the same distance from each other and approximately 6 cm from the helmet edge (thus eliminating the edge effect).

最終的なV50は、停止の起きた3つの最高速度および貫通が起きた3つの最低速度の平均として求めた。標準偏差の計算には同じ数を用いる。その他の発射は、関連性があるにはV50から離れすぎていると見なされ、したがって、それらの結果は無視された。   The final V50 was determined as the average of the three highest speeds at which stop occurred and the three lowest speeds at which penetration occurred. The same number is used to calculate the standard deviation. Other launches were considered too far away from V50 to be relevant and therefore their results were ignored.

[実施例1]
59cm×59cmの寸法の正方形の形状をしたスタックを、一方向整列繊維を含んでいる単一層の92枚のシートおよび一方向整列繊維を含んでいる単一層の8枚の円形シートから作成した。ここで、それぞれの単一層の繊維方向は隣接単一層に対して90°の角度をなしている。単一層のスタックの構成は、後の衝撃面から数えてゆくと、耐衝撃繊維の方向が正方形シートの対角線に平行になっている8枚の正方形シート(5959cm)、一方向整列繊維の単一層を有し円形表面領域(直径が30cm)を有する8枚の円形シートおよび84枚の前記正方形シートであった。それぞれの円形シートの中心を、隣接したシートの中心の上に配置した。それぞれの単一層は、強さが35cN/dtexのゲル紡糸ポリエチレン繊維および19重量%のポリウレタンマトリックスを含んでおり、その場合に、単一層の面密度は63g/mである。完成したスタックを、ヘルメットの形をした制御クランプ(controlled clamp)金型内に配置したが、前記金型は雌型部分、雄型部分および制御部材を含んでいる。スタックが平らな状態で前記雌金型部分に対して所定の位置に取り付けられるように、ただし金型の閉鎖時にスタックが引き続き摺動できるように、約2000Nの固定圧力を制御部材に加える。金型の雄型部分を雌型部分の中に下ろすことにより金型を閉じ、その際に平らなスタックは雌金型表面に対してゆっくりと配置された。この閉鎖は、雄金型および雌金型の部分からスタックへ温度移動が行われるようにするため、5分の時間の間にゆっくり行った。金型の温度は約125〜130℃であった。加えた圧力は5MPaであり、スタックの中心の温度が120℃になるまでスタックを金型内に保持した。その後、圧力を約20MPaの圧縮圧力まで増大させ、スタックを15分間この圧力下に保った。次に、スタックを同じ圧縮圧力で60℃の温度まで冷却した。その後、金型を開け、くずをヘルメットから切り取ってヘルメットのエッジを滑らかにした。
[Example 1]
A square shaped stack measuring 59 cm x 59 cm was made from 92 single-layered sheets containing unidirectionally aligned fibers and 8 single-layered circular sheets containing unidirectionally aligned fibers. Here, the fiber direction of each single layer forms an angle of 90 ° with respect to the adjacent single layer. A single layer stack consists of eight square sheets (59 * 59 cm) with unidirectionally aligned fibers, the direction of the impact fibers being parallel to the diagonal of the square sheet, counting from the subsequent impact surface. There were 8 circular sheets with a single layer and a circular surface area (diameter 30 cm) and 84 square sheets. The center of each circular sheet was placed on the center of the adjacent sheet. Each monolayer includes a gel spun polyethylene fiber having a strength of 35 cN / dtex and a 19 wt% polyurethane matrix, in which case the areal density of the monolayer is 63 g / m 2 . The completed stack was placed in a controlled clamp mold in the form of a helmet, the mold including a female part, a male part and a control member. A fixed pressure of about 2000 N is applied to the control member so that the stack is mounted in place relative to the female mold part in a flat state, but so that the stack can continue to slide when the mold is closed. The mold was closed by lowering the male part of the mold into the female part, while the flat stack was slowly placed against the female mold surface. This closure was done slowly during a 5 minute period to allow temperature transfer from the male and female mold sections to the stack. The mold temperature was about 125-130 ° C. The applied pressure was 5 MPa, and the stack was held in the mold until the temperature at the center of the stack reached 120 ° C. The pressure was then increased to a compression pressure of about 20 MPa and the stack was kept under this pressure for 15 minutes. The stack was then cooled to a temperature of 60 ° C. with the same compression pressure. After that, the mold was opened and scraps were cut from the helmet to smooth the edges of the helmet.

製造されたヘルメットの重量は、面密度で表わすと、7.4kg/mであった。ヘルメットの厚さは平均10.5mmであり、周長は75cmであった。製造されたヘルメットはヘルメット番号1および2と呼ぶ。 The weight of the manufactured helmet was 7.4 kg / m 2 in terms of areal density. The average thickness of the helmet was 10.5 mm and the circumference was 75 cm. The manufactured helmets are called helmet numbers 1 and 2.

[比較実験A]
59cm×59cmの寸法の正方形の形状をしたスタックを、一方向整列繊維を含んでいる100の単一層から作成した。ここで、それぞれの単一層の繊維方向は隣接単一層に対して90°の角度をなしている。それぞれの単一層は、強さが35cN/dtexのゲル紡糸ポリエチレン繊維および19重量%のポリウレタンマトリックスを含んでおり、その場合に、単一層の面密度は63g/mである。完成したスタックを、ヘルメットの形をした標準的な金型の雌型部分上に配置したが、前記金型は雌型部分と雄型部分を含んでいた。金型の雄型部分を雌型部分の中に下ろすことにより金型を閉じ、その際にスタックは雌金型表面に対してゆっくりと配置された。この閉鎖は、雄金型および雌金型の部分からスタックへ温度移動が行われるようにするため、5分の時間の間にゆっくり行った。金型の温度は約125〜130℃であった。加えた圧力は5MPaであり、スタックの中心の温度が120℃になるまでスタックを金型内に保持した。その後、圧力を約20MPaの圧縮圧力まで増大させ、スタックを15分間この圧力下に保った。次に、スタックを同じ圧縮圧力で60℃の温度まで冷却した。その後、金型を開け、くずをヘルメットから切り取ってヘルメットのエッジを滑らかにした。製造されたヘルメットはヘルメット番号AおよびBと呼ぶ。
[Comparative Experiment A]
A square shaped stack measuring 59 cm x 59 cm was made from 100 single layers containing unidirectionally aligned fibers. Here, the fiber direction of each single layer forms an angle of 90 ° with respect to the adjacent single layer. Each monolayer includes a gel spun polyethylene fiber having a strength of 35 cN / dtex and a 19 wt% polyurethane matrix, in which case the areal density of the monolayer is 63 g / m 2 . The completed stack was placed on the female part of a standard mold in the shape of a helmet, the mold including a female part and a male part. The mold was closed by lowering the male part of the mold into the female part, whereupon the stack was slowly placed against the female mold surface. This closure was performed slowly during a 5 minute period to allow temperature transfer from the male and female mold sections to the stack. The mold temperature was about 125-130 ° C. The applied pressure was 5 MPa, and the stack was held in the mold until the temperature at the center of the stack reached 120 ° C. Thereafter, the pressure was increased to a compression pressure of about 20 MPa and the stack was kept under this pressure for 15 minutes. The stack was then cooled to a temperature of 60 ° C. with the same compression pressure. After that, the mold was opened and scraps were cut off from the helmet to smooth the edges of the helmet. The manufactured helmets are referred to as helmet numbers A and B.

[結果]
本発明によるヘルメット(番号1および2)を、従来技術による方法で作製された従来の2つのヘルメット(番号AおよびB)と一緒に試験した。
[result]
Helmets according to the invention (numbers 1 and 2) were tested together with two conventional helmets (numbers A and B) made by the method according to the prior art.

ヘルメット1および2は、材料性能のばらつきが少ないため標準偏差が小さかった。さらにヘルメット1および2は、V50が大きく、Vo値(つまり、ヘルメットを貫通した破片が実質的になかった破片速度)も大きいことを示している。   Helmets 1 and 2 had a small standard deviation because of little variation in material performance. Furthermore, helmets 1 and 2 have a large V50 and a large Vo value (that is, a fragment speed at which substantially no fragments have penetrated the helmet).

Figure 2009530140
Figure 2009530140

命を守る製品(ヘルメットなど)の材料の堅牢性ができるだけ優れていることは極めて重要である。発生しがちな弱い箇所およびそれに関連して貫通速度が小さいことにより、致死傷害の危険は増す。それに対応して、材料が効果的に機能する(つまり実質的に貫通しない)最大速度(Vo)は、非常に重要な性能指標である。Vの測定は極めて複雑であり、貫通の危険がないということは統計学的にありそうではない。V0の実用的な近似値は、発射物の1/100でしか貫通が起こらない速度である。このVoは、3−σ規則(つまり、V50−3標準偏差)で十分に推定される。本発明のヘルメット(番号1および2)では、失敗(貫通)の起こらない衝突速度が大きくなり、より大きい衝突速度に耐える。この優れた性能は、構造的変化の少ないとがった曲面部分を製造する方法を反映している。 It is extremely important that the material of life-saving products (such as helmets) is as robust as possible. The risk of lethal injury increases due to the weak spots that tend to occur and the associated low penetration rate. Correspondingly, the maximum speed (Vo) at which the material functions effectively (ie, does not substantially penetrate) is a very important performance indicator. It is not statistically likely that the measurement of V 0 is very complex and there is no risk of penetration. A practical approximation of V0 is the speed at which penetration occurs only at 1 / 100th of the projectile. This Vo is sufficiently estimated by the 3-σ rule (that is, V50-3 * standard deviation). In the helmets (Nos. 1 and 2) of the present invention, the collision speed at which failure (penetration) does not occur is increased, and the larger collision speed is tolerated. This excellent performance reflects the method of manufacturing the curved surface portion that has little structural change.

[実施例2]
ヘルメット(番号「3」)を実施例1に従って製造したが、ただし、この方法は、スタックの中心が120℃に達したすぐ後に雄型部分を取り外して金型を開けることにより、5MPaまで加圧する間に中断された。事前に圧縮されたヘルメットは金型の雌型部分の中に残った。幅が約10cmの5枚の数の炭素繊維シートをヘルメットの内部表面に置き、炭素繊維シートの側面はヘルメットの縁に合わせた。このようにして炭素繊維の円環をヘルメット内に置いた。炭素繊維シートは、面密度の合計が約200g/m2に達する一方向整列炭素繊維を含む。ポリアクリロニトリルから製造される市販の炭素繊維を使用した。炭素繊維シートは、熱硬化性エポキシ樹脂系をベースにした38重量%の結合剤をさらに含んでいた。
[Example 2]
A helmet (number “3”) was manufactured according to Example 1, except that this method was pressurized to 5 MPa by removing the male part and opening the mold immediately after the center of the stack reached 120 ° C. Was interrupted in between. The pre-compressed helmet remained in the female part of the mold. Five carbon fiber sheets having a width of about 10 cm were placed on the inner surface of the helmet, and the sides of the carbon fiber sheets were aligned with the edges of the helmet. Thus, a carbon fiber ring was placed in the helmet. The carbon fiber sheet includes unidirectionally aligned carbon fibers that have a total areal density of about 200 g / m2. Commercially available carbon fibers made from polyacrylonitrile were used. The carbon fiber sheet further contained 38% by weight binder based on a thermosetting epoxy resin system.

金型を再び閉じて、3分間5MPaで加圧して炭素繊維シートも金型温度になるようにした。その後で、実施例1に従った手順に再び従って、圧力を約20MPaの圧縮圧力まで増大し、スタックを15分間この圧力下に保ち、次いで同じ圧縮圧力で60℃の温度まで既述の冷却を行った。ヘルメットの側面の保護を側面変位試験(side−displacement test)で測定した。この試験では、ある特定の力がヘルメットの側面に加わるようにヘルメットを引張試験機内に置いた。力を加えた側面の位置は、着用者の耳を保護するヘルメットの部分であり、それによりヘルメットのへこみを生じさせた。結果を表2に示す。   The mold was closed again and pressurized at 5 MPa for 3 minutes so that the carbon fiber sheet was also at the mold temperature. Thereafter, following the procedure according to Example 1 again, the pressure is increased to a compression pressure of about 20 MPa, the stack is kept under this pressure for 15 minutes, and then the stated cooling is carried out to a temperature of 60 ° C. at the same compression pressure. went. The protection of the side of the helmet was measured with a side-displacement test. In this test, the helmet was placed in a tensile tester so that a certain force was applied to the side of the helmet. The position of the side where the force was applied was the part of the helmet that protected the wearer's ear, thereby causing the dent of the helmet. The results are shown in Table 2.

Figure 2009530140
Figure 2009530140

ヘルメット1の場合、500Nの力を加えると、120ミリメートルの側面変位(へこみ)が生じたが、ヘルメット番号3では、2倍の力である1100Nで10ミリメートルの変位しか見られなかった。これは、これらのヘルメットの側面保護が向上していることをはっきり示している。 In the case of helmet 1, when a force of 500 N was applied, a lateral displacement (dent) of 120 millimeters occurred, but in helmet number 3, only a displacement of 10 millimeters was seen at 1100 N, which is a double force. This clearly shows the improved side protection of these helmets.

Claims (26)

造形部品の製造方法であって、
− 一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む2枚以上のシートを積み重ねてスタックを形成するステップであって、前記スタックにおいて一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記シートの前記耐衝撃繊維の方向が隣接単一層の繊維方向に対してαの角度になっているステップと、次に
− 前記スタックを金型に入れるステップと、
− 前記金型内の前記スタックを制御部材で固定するステップと、
− 前記金型を閉じるステップと、
− 温度および圧力のもとで前記スタックを固化して曲面造形部品にするステップと
を含む、造形部品の製造方法。
A method for manufacturing a shaped part,
-Stacking two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and binder to form a stack, wherein said stack comprises a single layer of unidirectional impact resistant fibers and binder; The direction of the impact-resistant fibers of the sheet is at an angle α with respect to the fiber direction of the adjacent single layer; and then-placing the stack in a mold;
-Fixing the stack in the mold with a control member;
-Closing the mold;
-Solidifying said stack under temperature and pressure to form a curved shaped part.
一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記シートが長方形シートであって、前記耐衝撃繊維の前記方向が前記長方形シートの対角線と平行になっている、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fibers and a binder is a rectangular sheet, wherein the direction of the impact resistant fibers is parallel to a diagonal of the rectangular sheet. . 前記結合剤が少なくとも250MPaの引張弾性率を有する熱可塑性マトリックスである、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the binder is a thermoplastic matrix having a tensile modulus of at least 250 MPa. 前記スタックの形成時に、耐衝撃繊維の織物の少なくとも1つの層が、一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含む前記2枚以上のシート上に配置される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   4. At least one layer of impact-resistant fiber fabric is disposed on the two or more sheets comprising a single layer of unidirectional impact-resistant fibers and a binder when forming the stack. The method according to any one of the above. 衝撃面に非常に近い層の少なくとも1つの中の前記耐衝撃繊維が熱硬化性マトリックスに埋め込まれる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   5. A method according to any one of the preceding claims, wherein the impact resistant fibers in at least one of the layers very close to the impact surface are embedded in a thermosetting matrix. 前記織物層の前記耐衝撃繊維が熱硬化性マトリックスに埋め込まれる、請求項4または5に記載の方法。   The method according to claim 4 or 5, wherein the impact resistant fibers of the fabric layer are embedded in a thermosetting matrix. 単一層の前記スタック内の前記長方形シートまたは正方形シートの5ないし60重量%が、より小さい表面領域のシートと交換される、請求項2〜6のいずれか一項に記載の方法。   7. A method according to any one of claims 2 to 6, wherein 5 to 60% by weight of the rectangular or square sheets in the stack of single layers is replaced with sheets of smaller surface area. 前記耐衝撃繊維がポリエチレン繊維である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the impact-resistant fiber is a polyethylene fiber. 前記制御部材が50から5000Nの間の固定力で前記金型内の前記スタックを固定する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。   9. A method according to any one of the preceding claims, wherein the control member fixes the stack in the mold with a fixing force between 50 and 5000N. 前記制御部材が100から3000Nの間の固定力で前記金型内の前記スタックを固定する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the control member fixes the stack in the mold with a fixing force between 100 and 3000 N. 前記スタックを固化して曲面造形部品にすることが少なくとも7MPaの圧力で行われる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein solidifying the stack into a curved shaped part is performed at a pressure of at least 7 MPa. 前記スタックを固化して曲面造形部品にすることが少なくとも13MPaの圧力で行われる、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein solidifying the stack into a curved shaped part is performed at a pressure of at least 13 MPa. 少なくとも7MPaの圧力で前記スタックを固化して曲面造形部品にする前に、2から5MPaの間の圧力で前記スタックをプレスする事前成形ステップが行われる、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。   The pre-forming step of pressing the stack at a pressure between 2 and 5 MPa is performed before solidifying the stack into a curved shaped part at a pressure of at least 7 MPa. The method described. 前記スタックを固化して曲面造形部品にすることが、前記繊維の溶融温度または軟化温度より少なくとも10℃低い金型温度で行われる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。   14. A method according to any one of the preceding claims, wherein solidifying the stack into a curved shaped part is performed at a mold temperature that is at least 10 [deg.] C lower than the melting or softening temperature of the fibers. 前記スタックが少なくとも1枚の炭素繊維シートを含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。   15. A method according to any one of the preceding claims, wherein the stack comprises at least one carbon fiber sheet. 前記炭素繊維シートが一方向炭素繊維と結合剤との複数の単一層を含み、前記炭素繊維の方向が隣接単一層の繊維方向に対してαの角度である、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the carbon fiber sheet comprises a plurality of single layers of unidirectional carbon fibers and a binder, wherein the direction of the carbon fibers is an angle α with respect to the fiber direction of an adjacent single layer. 前記炭素シートが織られた炭素繊維を含む、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the carbon sheet comprises woven carbon fibers. 前記炭素シートが前記スタックの表面領域の20%から80%の間である、請求項15〜17のいずれか一項に記載の方法。   18. A method according to any one of claims 15 to 17, wherein the carbon sheet is between 20% and 80% of the surface area of the stack. 前記炭素シートが前記金型内で円環を形成する、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the carbon sheet forms an annulus within the mold. 請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法で得られる曲面造形部品。   A curved shaped part obtained by the method according to claim 1. 前記とがった曲面部分は、面密度が7.4kg/m以下であり、1.1グラムの模擬破片発射物(FSP)を用いた場合に少なくとも620m/sのVを実現する、請求項20に記載の曲面造形部品。 The pointed curved surface portion has a surface density of 7.4 kg / m 2 or less and achieves a V 0 of at least 620 m / s when using 1.1 gram simulated fragment projectile (FSP). 20. Curved shaped part according to 20. 有機耐衝撃繊維を含む曲面造形部品の製造における、少なくとも1枚の炭素繊維シートの使用。   Use of at least one carbon fiber sheet in the manufacture of curved shaped parts containing organic impact resistant fibers. 2枚以上のシートであって、それぞれのシートが一方向耐衝撃繊維と結合剤との単一層を含み、それぞれの単一層の前記耐衝撃繊維の方向が隣接単一層の繊維方向に対してαの角度になっている2枚以上のシートと、少なくとも1枚の炭素繊維シートとを含む曲面造形部品。   Two or more sheets, each sheet comprising a single layer of unidirectional impact resistant fiber and binder, wherein the direction of the impact resistant fiber of each single layer is α relative to the fiber direction of an adjacent single layer A curved shaped part including two or more sheets having an angle of at least one and at least one carbon fiber sheet. 前記耐衝撃繊維がポリエチレン繊維である、請求項23に記載の曲面造形部品。   The curved shaped part according to claim 23, wherein the impact resistant fiber is a polyethylene fiber. 前記耐衝撃繊維がアラミド繊維またははしご形ポリマー繊維である、請求項23に記載の曲面造形部品。   The curved shaped part according to claim 23, wherein the impact resistant fiber is an aramid fiber or a ladder-shaped polymer fiber. 前記部品がヘルメットの形状を有する、請求項20、21、23、24または25のいずれか一項に記載の曲面造形部品。   The curved shaped part according to any one of claims 20, 21, 23, 24, or 25, wherein the part has a shape of a helmet.
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